一种人工湿地基质、人工湿地系统

1.本发明涉及水体净化技术领域，尤其涉及一种人工湿地基质、人工湿地系统。


背景技术：

2.近年来，人工湿地污水处理技术以其建设运行成本低、设备运行简单、出水水质好和能耗低等优点，得到了广泛应用，对污水的净化起着重要作用。基质是人工湿地的载体，也是人工湿地其他活性元素(植物和微生物)存活的物质基础。人工湿地基质可通过沉淀、过滤和吸附来拦截污水中的主要污染物，一般具有较大的比表面积，可以提高湿地的液压和机械性能，为微生物的粘合提供了更大的表面积，从而提高系统对污染物的去除能力。因此，基质的物理和化学性质直接关系到整个人工湿地系统的污水处理效率。人工湿地的除磷效率主要取决于基质的铝、铁和钙的含量、比表面积、孔隙率、粒径分布以及水力传导率等。基质的适用性取决于其回收潜力、成本和多功能性。传统的人工湿地基质一般是一些惰性物质，如沙子、土壤和砾石等，用量大、去除效率有限且功能单一。
3.铝、钙或铁等元素的钢渣材料对磷具有较高亲和力，且具备吸收空气中co2的能力。钢渣是钢铁工业炼钢过程中产生的工业废弃物，产量高(约每年2700万吨)，使用成本低，应用不广泛(主要用于水泥和肥料的原料以及建筑和道路材料)。钢渣含有丰富的游离氧化钙、胶体氧化铁和氧化铝等物质，是一种有效吸附污水中磷酸盐的材料，还可以吸收空气中的co2，具备固碳能力。然而，钢渣基质人工湿地出水的碱性强，极易造成二次污染，同时还兼具脱氮效率低、复合功能弱和出水生态利用性差等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种人工湿地基质、人工湿地系统，本发明采用钢渣-褐煤复合基质用于人工湿地系统，能够实现高效脱氮-除磷-固碳的复合功能，提高出水的生态利用价值。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种人工湿地基质，包括以下质量百分含量的组分：钢渣34～49％，褐煤49～64％，活性污泥2％。
7.优选的，包括以下质量百分含量的组分：钢渣40～45％，褐煤55～60％，活性污泥2％。
8.优选的，所述钢渣的粒径为5～10mm。
9.优选的，所述褐煤的粒径为2～3mm。
10.优选的，所述活性污泥负载有微生物菌种；所述微生物菌种包括固氮菌、硝化细菌和腐生细菌。
11.本发明提供了一种人工湿地系统，包括上述技术方案所述人工湿地基质形成的基质层；所述基质层包括层叠设置的活性污泥层和复合基质层；所述复合基质层包括钢渣和褐煤。
12.优选的，所述活性污泥层的厚度为1～2cm；所述复合基质层的厚度为30～40cm。
13.优选的，所述复合基质层为钢渣-褐煤混合基质层，或者所述复合基质层为层叠的上层基质层和下层基质层；所述上层基质层为钢渣层或褐煤层，所述下层基质层为褐煤层或钢渣层，且所述上层基质层和下层基质层的组成不同；所述上层基质层和下层基质层的厚度独立为15～20cm。
14.优选的，所述人工湿地系统的结构为垂直流下行人工湿地；所述人工湿地系统的进水方式为间歇性进水。
15.优选的，所述间歇性进水方式中，水力停留时间为66h，排空时间为6h。
16.本发明提供了一种人工湿地基质，包括以下质量百分含量的组分：钢渣34～49％，褐煤49～64％，活性污泥2％。本发明将工业废弃物钢渣及燃烧效果差的褐煤作为人工湿地基质，钢渣具有高效除磷和吸收空气中co2的能力，褐煤中的腐殖酸可以缓冲强碱性，且为脱氮微生物提供碳源，本发明充分利用钢渣与褐煤结合脱氮、除磷能力强和兼具固碳功能的特点，提升人工湿地复合功能，有效去除污水中的污染物，降低出水ph值，吸收空气中co2，实现以废治废，出水无二次污染，生态利用价值高，兼具生态固碳功能。本发明通过构建钢渣-褐煤复合基质人工湿地系统，改善了传统钢渣基质人工湿地因碱性过高导致的出水不达标、因碳源不足而导致的脱氮能力低的难题。
17.褐煤内含丰富的腐殖酸，腐植酸自身含有较多的酸性基团和较大的阳离子交换量，可吸附较多的可溶性盐，一定程度上能够降低盐离子浓度和调节ph值，还能够为微生物提供碳源，提高人工湿地脱氮能力。同时，作为褐煤中腐殖酸重要组分的黄腐酸具有良好的促根效应，能够提高根系活力，有利于植物生长。本发明将褐煤应用于人工湿地系统，与钢渣基质复合作为人工湿地基质材料，能够缓冲钢渣浸出液的碱性，提升脱氮效率，从而实现人工湿地高效除磷-脱氮-固碳的复合功能。
18.本发明利用钢渣-褐煤复合基质构建的人工湿地系统中，褐煤浸出液中腐殖酸的主要组分黄腐酸具有促进植物生长的作用，因此该人工湿地系统的出水可用于农业灌溉，改良土壤，可提高作物产量，生态利用价值高。
19.钢渣属于工业废料，产量高且利用效率低；褐煤属于低质量煤炭，燃烧效率低且污染性强。因此，本发明将钢渣和褐煤作为人工湿地复合基质，发挥其除磷、脱氮和固碳能力，以废止废，实现废弃物的资源化利用及能源的清洁利用。
附图说明
20.图1为本发明提供的人工湿地系统的结构示意图。
具体实施方式
21.本发明提供了一种人工湿地基质，包括以下质量百分含量的组分：钢渣34～49％，褐煤49～64％，活性污泥2％。
22.在本发明中，若无特殊说明，所需材料或设备均按照本领域技术人员熟知的方式获取。
23.以质量百分含量计，本发明提供的人工湿地基质包括钢渣34～49％，优选为40～45％。在本发明中，所述钢渣的粒径优选为5～10mm；所述钢渣在使用前优选进行清洗，本发
明对所述清洗的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程清洗去除杂质即可。本发明对所述钢渣的来源没有特殊的限定，按照本领域熟知的方式获取即可。在本发明的实施例中，所述钢渣具体为河南一钢厂炼钢废弃物，所述钢渣中fe2o3的质量含量为16.28％、cao的质量含量为31.49％、mgo的质量含量为13.83％、al2o3的质量含量为5.71％、sio2的质量含量为14.6％，所述钢渣的孔隙率为5％。
24.以质量百分含量计，本发明提供的人工湿地基质包括褐煤49～64％，优选为55～60％。在本发明中，所述褐煤的粒径优选为2～3mm；所述褐煤使用前优选进行过筛，去除多余垃圾。本发明对所述过筛的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程得到上述粒径的褐煤即可。本发明对所述褐煤的来源没有特殊的限定，按照本领域熟知的方式获取即可；在本发明的实施例中，具体为哈尔滨某煤炭企业的褐煤，褐煤中腐殖酸含量为7.85％。褐煤内含丰富的腐殖酸，腐植酸自身含有较多的酸性基团和较大的阳离子交换量，可吸附较多的可溶性盐，一定程度上能够降低盐离子浓度和调节ph值，还能够为微生物提供碳源，提高人工湿地脱氮能力；同时，作为褐煤中腐殖酸重要组分的黄腐酸具有良好的促根效应，能够提高根系活力，有利于植物生长。本发明将褐煤应用于人工湿地系统，与钢渣基质复合作为人工湿地基质材料，能够提升人工湿地的除磷-脱氮-固碳复合功能，提高出水生态利用价值，以废治废，实现能源清洁利用。
25.以质量百分含量计，本发明提供的人工湿地基质包括活性污泥2％。本发明对所述活性污泥的来源和组成没有特殊的限定，按照本领域熟知的方式获取的活性污泥均可。在本发明的实施例中，具体为芦苇原位土壤加水培养的活性污泥；本发明对所述水的用量以及培养的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程根据实际需求调整即可。
26.在本发明中，所述活性污泥优选负载有微生物菌种；所述微生物菌种优选包括固氮菌、硝化细菌和腐生细菌；本发明对不同微生物菌种的配比没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可；本发明对所述微生物菌种的负载量没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可。本发明通过培养所得活性污泥上负载有大量的微生物菌种，将该负载有微生物菌种的活性污泥固定在钢渣及褐煤上形成微生物膜，将基质的过滤、吸附作用与微生物的作用相结合，进一步提高对水体的净化效果。
27.本发明提供了一种人工湿地系统，包括上述技术方案所述人工湿地基质形成的基质层；所述基质层包括层叠设置的活性污泥层和复合基质层；所述复合基质层包括钢渣和褐煤。
28.本发明提供的人工湿地系统包括上述技术方案所述人工湿地基质形成的基质层。本发明对所述人工湿地系统的其他部件没有特殊的限定，按照本领域熟知的人工湿地系统配置，选用上述技术方案所述人工湿地基质作为基质层即可。本发明对所述人工湿地系统的尺寸没有特殊的限定，根据实际需求调整即可；在本发明的实施例中，所用人工湿地箱的尺寸为0.5m
×
0.5m
×
0.5m。
29.在本发明中，所述基质层包括层叠设置的活性污泥层和复合基质层；所述复合基质层包括钢渣和褐煤。
30.在本发明中，所述活性污泥层的厚度优选为1～2cm；所述复合基质层的厚度优选为30～40cm。在本发明中，所述复合基质层优选为钢渣-褐煤混合基质层，或者所述复合基质层优选为层叠的上层基质层和下层基质层；所述上层基质层与活性污泥层接触；所述上
层基质层优选为钢渣层或褐煤层，所述下层基质层优选为褐煤层或钢渣层，且所述上层基质层和下层基质层的组成不同；所述上层基质层和下层基质层的厚度独立为15～20cm。当所述复合基质层为钢渣-褐煤混合基质层时，所述钢渣和褐煤的质量比优选为1:1。
31.在本发明中，所述人工湿地系统的结构优选为垂直流下行人工湿地；所述人工湿地系统的进水方式优选为间歇性进水；所述间歇性进水方式中，水力停留时间优选为66h，排空时间优选为6h；在人工湿地上方均匀布水，下方设置出水阀。
32.在本发明中，所述人工湿地系统中，在钢渣层与褐煤层的交界处优选种植有芦苇，所述芦苇的种植深度优选为15cm，芦苇的根系发达且泌氧能力强，可提升水体中微生物的活性，加速有机物的分解，且人工湿地系统采用间歇性的进水方式，芦苇与微生物实现了有氧和缺氧同时存在的环境，更好地发挥协同作用。
33.图1为本发明提供的人工湿地系统的结构示意图；如图1所示，人工湿地系统的基质层自上而下依次为褐煤层、钢渣层和活性污泥层，且钢渣层与褐煤层交界处种植有芦苇，且在上方设有进水管，用于布水，下方设有出水口。
34.钢渣浸出液是由钙氧化物和镁氧化物的溶解以及钙铝硅酸盐矿物的水解产生的，这些矿物的溶解产物可产生高达12.4的ph值，不仅不利于参与脱氮过程的微生物生存，且远远超出任何水体可接受的ph值范围。富含腐殖酸的褐煤可以缓冲钢渣浸出液的碱性，还能够为微生物提供碳源，进而提高人工湿地脱氮能力。并且，褐煤浸出液中的黄腐酸对植物有促生长作用，出水较其它净化系统更利于灌溉。钢渣与褐煤组合的基质方式，能够很好的解决人工湿地出水碱性高的问题，还能够兼顾脱氮除磷效果，实现人工湿地除磷-脱氮-固碳的复合功能，提升出水生态利用价值。
35.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.以下实施例中，钢渣为河南一钢厂炼钢废弃物，所述钢渣中fe2o3的质量含量为16.28％、cao的质量含量为31.49％、mgo的质量含量为13.83％、al2o3的质量含量为5.71％、sio2的质量含量为14.6％，所述钢渣的孔隙率为5％，褐煤来源于哈尔滨某煤炭企业，褐煤中腐殖酸含量为7.85％。
37.所用钢渣的粒径为5～10mm，褐煤的粒径为2～3mm。
38.实施例1
39.本实施例的人工湿地系统为垂直流人工湿地系统，人工湿地箱的尺寸为长50cm、宽50cm、高50cm，从上至下基质各层为1cm活性污泥层(活性污泥质量含量为2％)、15cm钢渣层(钢渣质量含量为49％)和15cm褐煤层(褐煤质量含量为49％)，种植芦苇12株(种植深度为15cm)；
40.进水为超国家污水排放标准1倍的配置污水：cod 240mg/l、tp 10mg/l、tn 40mg/l、nh
4+-n 10mg/l、no3‑‑
n 30mg/l、ph＝7。
41.在人工湿地上方均匀布水，每次进水25l，进水后66h将污水从人工湿地底部出水口排出，排空6h，再次进水；
42.该人工湿地系统运行一个月，出水样品于24h内，用全自动化学分析仪检测cod、
bod、tp、tn、nh
4+-n和no3‑‑
n，用便携式ph计测出水ph值。
43.结果表明，进水的cod去除率为74.84％，tp去除率为99.10％，tn去除率为77.43％，nh
4+-n去除率为74.17％，no3‑‑
n去除率为94.80％，出水ph值为6.0。
44.实施例2
45.本实施例的人工湿地系统为垂直流人工湿地系统，人工湿地箱的尺寸为长50cm、宽50cm、高50cm，从上至下基质各层为1cm活性污泥层、15cm褐煤层、15cm钢渣层，种植芦苇12株(种植深度为15cm)，进水及测试方法同实施例1。
46.该人工湿地系统运行一个月，检测出水的指标；结果表明，进水的cod去除率为87％，tp去除率为98％，tn去除率为92％，nh
4+-n去除率为94％，no
3-‑
n去除率为93％，出水ph值为8.8。
47.实施例3
48.本实施例的人工湿地系统为垂直流人工湿地系统，人工湿地箱的尺寸为长50cm、宽50cm、高50cm，从上至下基质各层为1cm活性污泥层、30cm钢渣-褐煤混合基质层，种植芦苇12株(种植深度为15cm)，进水及测试方式同实施例1。
49.该人工湿地系统运行一个月，检测出水的指标；结果表明，进水的cod去除率为43％，tp去除率为99％，tn去除率为89％，nh
4+-n去除率为91％，no
3-‑
n去除率为99％，出水ph值为8.0。
50.由以上实施例可知，本发明提供的人工湿地系统处理废水后，所得出水ph值均小于9，符合国家对城市污水排放标准(gb18918-2002)一级a标准(ph＝6～9)。
51.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。